基于Arduino語音控制的五指靈巧手

李紅淵

摘要

本文介紹了一種基于Arduino語音控制的五指靈巧手。該方案主要針對(duì)于會(huì)說話的殘疾人，通過語音控制實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的抓取.該語音控制的靈巧手系統(tǒng)包含電池模塊、控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、語音模塊等。該五指靈巧手方案為在上海哲謙應(yīng)用科技有限公司期間設(shè)計(jì)的第一代靈巧手。語音模塊為非特定人聲語音模塊LD3320。該靈巧手可通過語音控制實(shí)現(xiàn)對(duì)日常物體的抓取。

【關(guān)鍵詞】非特定人聲語音控制 五指靈巧手

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止至2010年末，我國目前肢體殘疾人數(shù)高達(dá)兩千多萬，傳統(tǒng)假肢多采用兩指或三指為主，既不靈活也不美觀，仿人的五指靈巧手產(chǎn)品極少，且多數(shù)進(jìn)口、價(jià)格昂貴。本文介紹了一種基于Arduino平臺(tái)語音控制五指靈巧手的方案，使用者只要通過語音說出自己要做的動(dòng)作，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的抓取。

該語音控制的靈巧手系統(tǒng)包含電池/電源模塊、控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、語音模塊等。該五指靈巧手方案為在上海哲謙應(yīng)用科技有限公司期間設(shè)計(jì)的第一代靈巧手。語音模塊為非特定人聲語音模塊LD3320。

1 基于Arduino語音控制五指靈巧手方案

本文介紹了一種基于Arduino語音控制五指靈巧手的方案。該方案主要針對(duì)于會(huì)說話的殘疾人，通過非特定人聲語音控制五指靈巧手實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的抓取。五指靈巧手采用欠驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，6個(gè)自由度，11個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)。

目前多數(shù)語音交互產(chǎn)品需要聯(lián)網(wǎng)，交互效果受網(wǎng)絡(luò)信號(hào)制約，且價(jià)格較高，不適合殘疾人靈巧手的應(yīng)用，本方案采用非特定人聲語音模塊。方案主要包括控制器、非特定人聲語音模塊、驅(qū)動(dòng)器及編碼器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、力傳感器、電池/電源模塊等。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

備注：橘色路徑為能量路徑;箭頭路徑為信號(hào)傳輸路徑。

1.1 控制器

控制器用于與非特定人聲語音模塊LD3320通信、讀取力傳感器值、控制電機(jī)并讀取電機(jī)編碼器的值、用于控制器之間互相通信。主、從控制器均采用ATMEGA2560，16路模擬輸入，14路PWM輸出，4路UART;256KB Flash，8KB RAM，16MHz晶振。

1.2 非特定人聲語音模塊LD3320

LD3320是一顆基于非特定人語音識(shí)別技術(shù)的語音識(shí)別/聲控芯片，無需用戶進(jìn)行錄音訓(xùn)練。芯片上集成了高精度的A/D和D/A接口，無需外接輔助的Flash和RAM，即可以實(shí)現(xiàn)語音識(shí)別/聲控/人機(jī)對(duì)話功能。把高靈敏度低信噪比麥克風(fēng)接在芯片的AD引腳上即可實(shí)現(xiàn)錄音功能。支持用戶自由編輯50條關(guān)鍵詞語條，無需語音喚醒。

1.3 力傳感器

力傳感器采用單點(diǎn)壓力傳感器FSR400，柔性力傳感器的電阻值隨著作用于感應(yīng)區(qū)上的壓力增大而減小。根據(jù)壓力傳感器規(guī)格書及實(shí)測數(shù)值，10N～100N力范圍，F(xiàn)SR400電阻變化范圍為4kohm～1kohm。

1.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用LV8548，一個(gè)模塊可同時(shí)控制兩路電機(jī)。

1.5 編碼器

編碼器采用FAULHABERPA2-100。

每轉(zhuǎn)100線，頻率上限35KHz，輸出兩通道信號(hào)的方波;

輸入電壓范圍：2.7～3.3V;工作電流8mA;

脈沖寬度180±45°e;AB通道信號(hào)之間相位差90±45°e;

邏輯狀態(tài)脈沖寬度90±45°e;信號(hào)周期360±30°e

碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.02gcm²;工作溫度-25℃～85℃。

1.6 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)即電機(jī)，本系統(tǒng)選用的是直流有刷電機(jī)，型號(hào)FAULHABER 1024SR 009SR。

標(biāo)稱電壓9V，電樞電阻14.9歐姆，最大輸出功率1.34W，最大功效82%，空載轉(zhuǎn)速12000轉(zhuǎn)/分鐘，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩4.28mNm，堵轉(zhuǎn)電流0.6A，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.12gcm²，額定轉(zhuǎn)矩1.5mNm，額定電流0.22A，額定轉(zhuǎn)速6910轉(zhuǎn)/分鐘。

減速箱10/1，減速比16：1。

1.7 電池/電源模塊

電池采用9V2.6AH鋰離子電池。

2 軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

軟件系統(tǒng)架構(gòu)為四層結(jié)構(gòu)，從上層到下層分別是應(yīng)用程序?qū)?、?yīng)用程序框架層、系統(tǒng)運(yùn)行庫層及驅(qū)動(dòng)層，分別作用如下：

應(yīng)用程序?qū)樱簩?shí)現(xiàn)特定應(yīng)用功能的程序。如：語音控制抓取物體。

應(yīng)用程序框架層：很多核心算法是通過這一層來實(shí)現(xiàn)的，如抓取算法，如抓球。

系統(tǒng)運(yùn)行庫層：是應(yīng)用程序框架層的支撐，如單手指開合。

驅(qū)動(dòng)層：驅(qū)動(dòng)層是程序以訪問底層硬件的形式實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序之間需要實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的信息交互，一方面，應(yīng)用程序通過對(duì)驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送相應(yīng)的指令，實(shí)現(xiàn)硬件控制的動(dòng)作指令，另一方面，驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒂布x寫的狀態(tài)、從硬件上獲得的數(shù)據(jù)傳送給應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序與驅(qū)動(dòng)程序間的交互。如測速、測距、計(jì)數(shù)等。

部分程序如下：

#include"103201"

#include"FSR.h"

#include"Smarthand.h"

#include"TMI.h"

#include"Demo.h"

#include"Ball.h"

#include"Card.h"

void setup（）

{

Serial.begin（9600）//配置9600

Voice.init（）：//初始化VoiceRecognition模塊

Voice.addCommand（"yan shi"，0）;//添加指令，參數(shù)

Voice.addCommand（"na ka pian"，1）;

Voice.addCommand（"zhua ka pian"，1）;

Voice.addCommand（"zhua qiu"，2）;

Voice.addCommand（"na qiu"，2）;

Voice.addCommand（"wo qiu"，2）;

Voice.addCommand（"zhang kai"，3）;

Voice.starto;//開始識(shí)別

}

void loop（）

{

int number;

number=switch（Voice.reado）;//判斷識(shí)別

Serial.print（"Mode="）;

Serial.println（number）;

if（number==0）Demo（）;

//語音識(shí)別到“yan shi”時(shí)，執(zhí)行應(yīng)用程序框架層的Demo程序。

else if（number==1）Card（）;

//語音識(shí)別到"na ka pian"或"zhua kapian"時(shí)，執(zhí)行應(yīng)用程序框架層的Card程序。

else if（number==2）Ball（）;

//語音識(shí)別到"zhua qiu"、"na qiu"或"woqiu"時(shí)，執(zhí)行應(yīng)用程序框架層的Ball程序。

else if（number==3）Openo;

//語音識(shí)別到"zhang kai"時(shí)，執(zhí)行應(yīng)用程序框架層的Open程序。

}

3 結(jié)論

基于Arduino語音控制五指靈巧手的方案實(shí)現(xiàn)了語音控制五指靈巧手抓取物體的功能。無需聯(lián)網(wǎng)，無需語音喚醒。五指靈巧手采用欠驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，6個(gè)自由度，11個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)，重約0.8kg，可強(qiáng)力抓取3kg物品，精準(zhǔn)抓取0.2kg物體。具有力機(jī)械自鎖功能，電機(jī)失電，機(jī)械手所持物體不會(huì)跌落。可抓取類球形、規(guī)則多邊形、類圓柱體、勺子、卡片、手機(jī)、電源插頭等物品，可執(zhí)行點(diǎn)擊、OK、Yeah等手勢(shì)動(dòng)作。

參考文獻(xiàn)

[1]趙璐，吳蒙.基于Arduino的語音識(shí)別與控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（21）：55-57，60.